光伏发电式桑基鱼塘的可行性方案研究

何士威 胡辰 刘妍 郭涵语 王晨晨

摘 要： 起源于明代后期的“桑基鱼塘”是对能量充分利用的典范，如今“桑基鱼塘”这一模式已成为了集多种循环类型为一体的、完整的生态系统。本项目在传统模式的桑基鱼塘系统上融入光伏发电产业，以达到提高能源利用率，减少成本，增加收益。使新型系统更加环保，低碳，经济的目的。

关键词： 桑基鱼塘；光伏发电；能源；可持续发展

基金项目：国家级大学生创新创业项目（201610370022）

引言

“桑基鱼塘”于明代后期兴起，于广东省珠江三角洲地区，是珠三角劳动人民在长期生产劳动中创造出来的一种特殊耕作模式。这种独具地方特色的农业生产形式的出现绝非偶然，主要原因是在当时这里地少人多，而这种农业模式可以吸纳更多的劳动力，又有极高的经济效益。在全球商品贸易大潮的推动下，它一步步走向成熟，最终成为理想的生态农业典范。

但是由于进30年来市场经济的发展，人们的观念不断地被商品价值观冲击，桑基鱼塘逐渐被人们认为是产值落后的传统农业生产模式，种桑养鱼的收入低下，已经满足不了现代人们的经济需求。故此桑基鱼塘渐渐消逝了，以往兴旺的盛况不在，老一辈的“渔工”“蚕娘”也相继老去。年轻人大多急于追求做最现实的利益，不愿意将自己的时光投身于传统产业的复兴上。

那么我们真的要看着这样的传统文明没落下去吗？我想这不仅是一个产业的衰退，更是一种资源循环利用可持续发展观念的确实。现如今科技的发展迅猛，在新能源开发方面更有重大突破，那么我想可以是否用科技带动传统，在此间唤醒哪似乎已经陷入沉睡了的对资源循环利用的美好观念。

新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场。预计到2030年，光伏发电在世界的总发电量中将占到5%-20%。

1、桑基鱼塘

陆地种桑，塘里养鱼蚕沙（蚕粪）喂鱼，塘泥肥桑，栽桑、养蚕、养鱼三者结合，形成桑、蚕、鱼、泥互相依存、互相促进的良性循环，避免了水涝，还可以加入沼气池，为系统提供燃料，沼气渣可以做肥料。营造了十分理想的生态环境，收到了理想的经济效益，对资源达到了多重利用，同时减少了环境污染。桑基鱼塘模式图（生态原理）如图1所示，其特点如下：

2、光伏发电

光伏发电其实就是太阳能发电的一种，其直接能量来源就是太阳。这里是指利用半导体界面的光生伏特效应将太阳能直接转换成电能。其核心元件是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池有很大的应用前景，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。而且使用寿命长，只要有太阳的存在，太阳能电池就可一次投资长期使用。而且相比较其他发电方式而言，太阳能电池不会引起环境污染。

基于以上描述，可以考虑在桑基鱼塘系统中加入光伏发电的系统，利用鱼塘水面，在丰富的养殖水面上架设光伏组件进行发电，形成上可发电下可养鱼的创新发展模式，既能充分利用空间节约土地资源，又能利用光伏电站调节养殖环境，还能优化地区能源结构改善环境，并可提高单位鱼塘产量增产增收，在水产养殖和光伏产业上实现领域共享。另外光伏发电的应用更是可以在陆地上，在建筑物的屋顶上，非晶硅太阳能电池是可以制成半透明的，用其作为作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃進入室内，为室内提供十分柔和的照明（紫外线被滤掉）能挡风雨，又能发电；美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。桑基鱼塘的根本能量来源是太阳能，如今在现有基础上加入的光伏发电系统，更是对太阳能的直接利用。两者的结合大大提高了桑基鱼塘对太阳能的利用率。

3、两者的结合

光伏发电在桑基鱼塘系统中的应用如图3（a），（b）所示：

但是将两个毫无关联的系统完美的融合在一起并不是那么简单，这里需要攻克的难题有三个：一是将太阳能组件产生的电能应用或者集中起来；二是克服太阳能的随机性和波动性；三是光伏发电系统中的安全问题。

经过研究分析，想要在保留桑基鱼塘的基础上加入光伏发电系统，较为合适的选择是将分布式并网光伏发电系统加进去。

在分布式光伏发电系统的组成部分中，并网逆变器是关键部件。其主要功能是把来自太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，并把电力输送给与交流系统连接的负载，同时还具有极大限度地发挥太阳能电池方阵性能的功能和异常或故障时的保护功能。

逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关（ON-OFF），使直流输入变成交流输出。当然，这样单纯地由开和关回路产生的逆变器输出波形并不实用。一般需要采用高频脉宽调制（SPWM），使靠近正弦波两端的电压宽度变狭，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作，这样形成一个脉冲波列（拟正弦波）。然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。

这里的逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。

首先逆变器的运行方式可以跟随太阳辐射强度的变化而做出相应改变：当日出后，太阳辐射逐渐增强，太阳能电池输出功率增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。当到日落时，太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便处于待机状态。期间逆变器会时刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳能电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行，直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。其次逆变器还有最大功率跟踪功能、防单独运行功能（并网系统用）、自动电压调整功能（并网系统用）、直流检测功能（并网系统用）、直流接地检测功能（并网系统用）。因为这些功能的存在使得两个系统的结合成为可能。

但是新型系统的要保留桑基鱼塘的，所以在地域上便有了限制。因为光伏发电组件的架设要求地势平坦，日照充足，气候稳定。另外在水上的光伏板的架设也是一个限制，是选择漂浮式还是固定式，这也是要根据桑基鱼塘的实况来决定的。桑基鱼塘的实际规格与分布直接影响光伏板的架设。这些问题可以视情况来解决。

传统的桑基鱼塘的最终主要产品是鱼，副产品有蚕茧、桑果、牲畜等。以一个普通规格的桑基鱼塘为例，鱼塘占地面积10亩（大约6670平方米）。在理想状态下，鱼的年产量计算如下：每亩鱼塘年产可以有1200尾鱼（约1.2斤每尾），除去成本：鱼苗300元+饲料1500元+电费1200元（主要是增氧机工作耗电和日常用电）+其他200元，共3200元，以平均每斤5元的价格来售出的话可收入7200元，即每亩鱼塘的纯利润约4000元，那么十亩鱼塘年纯利润为40000元。这是主产品的利润，加上副产品的收益每年大约可以有60000元的纯利润。

我们设想加入光伏发电组件后，首先系统中的电费可以结余下来，其次，在鱼塘上方加入了光伏发电组件后，每亩鱼塘的年产量大约可以增产至1500尾（1.5斤每尾）。年收益增加到了80500元。普通规格下的桑基鱼塘加入了光伏发电组件后副产品的年收益提高不多或基本不变。在普通规格的桑基鱼塘系统中大约可以架设3000平方米的光伏发电板（水面2000平方米加地面1000平方米），成本在300万元左右。经过调查分析过后可以得出，3000平方米的光伏组件可有30个10千瓦的组串系统组成。预计年发电量在36万度电。在国家政策补贴下，每年的净收益在45万元左右。那么预计在6至7年后就可以回本，之后的收入为纯收益。而市面上一般的光伏组件的使用寿命在25年左右。也就是说新型的桑基鱼塘系统在接下来的18年左右的时间内的收入比之前的收入提高了13倍以上。

如此，桑基鱼塘系统收益倍增，而且与光伏发点系统的结合。也更加体现了对资源的循环利用，也达到了节能环保，可持续发展以及高收益的目的。那承载着古人们智慧的产业也得以保留，新兴技术得到了很好的应用。更重要的是原始的对资源循环利用的美好观念被延续了下去。

参考文献

[1]周莉华. 顺德桑基鱼塘叙事与记忆的社会空间[J]. 文化遗产， 2015（4）：94-102.

[2]汲晓辉. 湖州"桑基鱼塘"农业景观现状及更新策略分析[J]. Development of Small Cities & Towns， 2009（3）：91-93.

[3]叶明儿， 楼黎静， 钱文春，等. 湖州桑基鱼塘系统形成及其保护与发展现实意义[C]// 2010中国现代农业发展论坛. 2014.

[4]丁农， 金瑞丰， 张金卫，等. 菱湖“桑基鱼塘”系统及其农业文化遗产的的保护与利用[J]. 蚕桑通报， 2015， 46（1）：5-8.

[5]席亚宏. 桑基鱼塘的兴起与发展[J]. 甘肃教育， 2006（18）：36-36.

[6]殷叙龙. 巩固与发展桑基鱼塘型的生产模式[J]. 江苏蚕业， 1994（3）：30-31.

[7]张健， 窦永群， 桂仲争，等. 南方蚕区蚕桑产业循环经济的典型模式——桑基鱼塘[J]. 蚕业科学， 2010， 36（3）：470-474.

[8]李芬， 陈正洪， 何明琼，等. 太阳能光伏发电的现状及前景[J]. 水电能源科学， 2011， 29（12）：188-192.

[9]杨忠. 太阳能光伏发电现状与发展趋势[J]. 金陵科技学院学报， 2008， 24（1）：9-13.

[10]邵翠平. 我国太阳能光伏发电现状及发展趋势[J]. 科技信息：科学教研， 2008（23）：41-42.

[11]黃亚平. 太阳能光伏发电研究现状与发展前景探讨[J]. 广东白云学院学报， 2007（2）：113-117.

[12]高长青. 太阳能光伏发电原理[J]. 中国科技博览， 2012（27）：407-407.